양자 컴퓨터는 기하급수적으로, 무조건적으로 기존 컴퓨터를 이겼습니다.

IBM Eagle 프로세서가 탑재된 양자 컴퓨터의 내부 모습. 출처: IBM

양자 컴퓨터는 계산 속도를 높이고, 새로운 의약품을 설계하고, 코드를 해독하고, 색다른 신소재를 발견할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 하지만 이는 양자 컴퓨터가 실제로 기능할 때에만 가능합니다.

최근까지 양자 컴퓨터에서는 계산 중에 생성되는 노이즈나 오류가 방해가 되는 주요 요인이었습니다. 사실, 이로 인해 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 성능이 떨어졌습니다.

USC 비터비 공과대학 전기 및 컴퓨팅 공학과 교수이자 비터비 공과대학 교수인 다니엘 라이더는 양자 오류 수정 연구를 지속적으로 수행해 왔으며, USC와 존스홉킨스 대학의 공동 연구자들과 함께 진행한 새로운 연구에서 클라우드를 통해 127큐비트 IBM 퀀텀 이글 프로세서 기반 양자 컴퓨터 두 대를 사용하여 양자 지수적 스케일링 이점을 입증했습니다. "아벨 은닉 부분군 문제에 대한 알고리즘적 양자 속도 향상 시연(Demonstration of Algorithmic Quantum Speedup for an Abelian Hidden Subgroup Problem)"이라는 제목의 이 논문은 APS의 대표 학술지인 Physical Review X 에 게재되었습니다.

"이전에 다항식 속도 향상과 같은 좀 더 낮은 수준의 속도 향상이 시연된 적이 있습니다."라고 Quantum Elements, Inc.의 공동 창립자이기도 한 Lidar는 말합니다. "하지만 지수적 속도 향상은 양자 컴퓨터에서 기대하는 가장 극적인 속도 향상입니다."

Lidar에 따르면, 양자 컴퓨팅의 주요 이정표는 일반적인 "고전적인" 컴퓨터에 비해 확장 속도가 훨씬 빨라서 전체 알고리즘을 실행할 수 있다는 것을 보여주는 것이었습니다.

그는 스케일링 속도 향상이 예를 들어 100배 더 빠르게 작업할 수 있다는 것을 의미하지 않는다고 분명히 밝혔습니다. "오히려 더 많은 변수를 추가하여 문제의 크기를 키울수록 양자 성능과 기존 성능 간의 격차가 계속 커진다는 것입니다. 기하급수적인 속도 향상은 변수가 하나 추가될 때마다 성능 격차가 약 두 배로 커진다는 것을 의미합니다. 더욱이, 우리가 보여준 속도 향상은 무조건적인 것입니다."

Lidar는 속도 향상이 "무조건적"인 이유는 입증되지 않은 가정에 의존하지 않기 때문이라고 설명합니다. 이전의 속도 향상 주장은 양자 알고리즘을 벤치마킹할 더 나은 고전 알고리즘이 없다는 가정을 요구했습니다. Lidar가 이끄는 팀은 양자 컴퓨터용으로 수정한 알고리즘을 사용하여 "사이먼의 문제"의 변형을 해결했습니다. 사이먼의 문제는 이론적으로 어떤 고전 알고리즘보다 무조건적으로 기하급수적으로 빠르게 문제를 해결할 수 있는 양자 알고리즘의 초기 사례입니다.

사이먼의 문제는 수학 함수에서 숨겨진 반복 패턴을 찾는 문제이며, 암호 해독에 사용되어 양자 컴퓨팅 분야를 촉발한 쇼어의 인수분해 알고리즘의 선구자로 여겨집니다. 사이먼의 문제는 마치 추측 게임과 같습니다. 플레이어는 게임 진행자("오라클")만 아는 비밀 번호를 추측해야 합니다. 플레이어가 오라클이 반환한 답이 동일한 두 숫자를 추측하면 비밀 번호가 공개되고 해당 플레이어가 승리합니다. 양자 플레이어는 기존 플레이어보다 기하급수적으로 빠르게 이길 수 있습니다.

그렇다면 연구팀은 어떻게 기하급수적인 속도 향상을 달성했을까요? USC 박사 과정 연구원이자 제1 저자인 파타라폰 싱카니파는 "핵심은 하드웨어의 성능을 최대한 끌어내는 것이었습니다. 회로 단축, 더 스마트한 펄스 시퀀스, 그리고 통계적 오류 완화가 바로 그것입니다."라고 말합니다.

연구자들은 네 가지 다른 방법으로 이를 달성했다

첫째, 허용되는 비밀 번호의 개수를 제한함으로써(기술적으로는 비밀 번호 집합의 이진 표현에서 1의 개수를 제한함으로써) 데이터 입력을 제한했습니다. 그 결과, 필요한 양자 논리 연산 횟수가 기존 방식보다 줄어들었고, 오류 발생 가능성도 줄었습니다.

두 번째로, 그들은 트랜스파일레이션이라는 방법을 사용하여 필요한 양자 논리 연산의 수를 최대한 압축했습니다.

셋째, 그리고 가장 중요한 점은 연구진이 "동적 분리"라는 방법을 적용했다는 것입니다. 이는 신중하게 설계된 펄스 시퀀스를 적용하여 양자 컴퓨터 내 큐비트의 동작을 노이즈가 많은 환경에서 분리하고 양자 처리가 원활하게 진행되도록 하는 것을 의미합니다. 동적 분리는 양자 속도 향상을 입증하는 데 가장 큰 영향을 미쳤습니다.

마지막으로, 그들은 "측정 오류 완화"를 적용했습니다. 이는 알고리즘의 끝에서 큐비트 상태를 측정하는 데 있어서의 불완전성으로 인해 동적 분리 이후 남은 특정 오류를 찾아서 수정하는 방법입니다.

USC Dornsife 문학, 예술, 과학 대학의 화학 및 물리학 교수이기도 한 Lidar는 "양자 컴퓨팅 커뮤니티는 양자 프로세서가 특정 작업에서 기존 프로세서보다 성능이 뛰어나기 시작했으며, 기존 컴퓨팅으로는 도달할 수 없는 영역으로 진입하고 있음을 보여주고 있습니다. 저희 연구 결과는 오늘날의 양자 컴퓨터가 확장 가능한 양자 우위를 확고히 확보하고 있음을 보여줍니다."라고 말했습니다.

그는 이 새로운 연구를 통해 "성능 차이는 역전될 수 없습니다. 우리가 입증한 기하급수적 속도 향상은 처음으로 무조건적이기 때문입니다."라고 덧붙였습니다. 즉, 양자 성능 우위는 점점 더 반박하기 어려워지고 있습니다.

다음 단계:

Lidar는 "이 결과는 추측 게임에서 이기는 것 이상의 실질적인 적용이 불가능하며, 양자 컴퓨터가 실질적인 현실 세계의 문제를 해결했다고 주장하기 위해서는 아직 해야 할 일이 많이 남아 있다"고 경고합니다.

이를 위해서는 답을 미리 알고 있는 "오라클"에 의존하지 않는 속도 향상을 입증하고, 점점 더 대형화되는 양자 컴퓨터에서 잡음과 결맞음(decoherence)을 더욱 줄이는 방법을 크게 발전시켜야 합니다. 그럼에도 불구하고, 양자 컴퓨터가 이전에 "논문상으로" 제시했던 기하급수적인 속도 향상을 제공할 것이라는 기대는 이제 확실하게 입증되었습니다.

공개: USC는 IBM 양자 혁신 센터입니다. Quantum Elements, Inc.는 IBM 양자 네트워크의 스타트업입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250629033459.htm